Многоканальные источники тока для светодиодных излучателей

В настоящее время популярность светодиодного освещения обусловлена, с одной стороны, высокой эффективностью светодиодов как преобразователей электрической энергии в световую, а с другой — удобством управления световым потоком путем формирования требуемой диаграммы направленности и применения систем управления интенсивностью светового потока.

Массовое производство светодиодов и связанное с этим снижение их себестоимости, а также увеличение удельной светоотдачи делает современные светодиодные светильники экономически конкурентными наряду с другими типами светоизлучателей.

Сегодня специалисты работают над тем, чтобы повысить единичную установленную мощность светильников. Особенно это касается приборов, используемых для наружного освещения в качестве магистральных или для освещения больших рекреационных пространств. Увеличение мощности светильников, в свою очередь, требует разработки новых типов электронных преобразователей для питания большого количества светодиодов, содержащихся в одном устройстве. При реализации светильника со значительным количеством светодиодов возникают специфические проблемы. При увеличении количества светодиодов, которые необходимо включать в последовательную цепь [1], неизбежно растет напряжение, подаваемое на них. А это приводит к нарушению прочности изоляции на металлической плате, где смонтированы светодиоды, поскольку в качестве изоляции используется оксидная пленка. Сама по себе оксидная пленка является диэлектрически непрочной, и для нее нормируется максимальное рабочее напряжение. Увеличение данного напряжения вызывает резкое повышение количества пробоев изоляции и выход источников из строя. Вот почему число последовательно соединенных светодиодов регламентируется в каждой группе. Дополнительные требования к ограничению количества светодиодов в группе формулируют и нормативы электробезопасности изделия.

Решить подобное противоречие можно, разделив общее количество светодиодов на группы, то есть реализовав многоканальный принцип построения светильника. Однако такое деление и применение нескольких электронных преобразователей не будет экономически эффективным, поскольку связано с использованием нескольких источников питания малой мощности, гальванически отвязанных друг от друга. Стоимостные и эксплуатационные характеристики нескольких маломощных источников, как правило, уступают единому образцу источника питания эквивалентной мощности. А потому актуальной становится задача создания таких источников, которые обладают многоканальным выходом и способны обеспечивать несколько выходных токов для питания независимых групп последовательно соединенных светодиодов с ограниченным выходным напряжением.

В настоящее время указанная задача решается с помощью интегральных драйверов, содержащих линейные регуляторы, устанавливающие требуемые значения тока в отдельных группах. Но подобный способ построения источника возможен лишь в том случае, если количество светодиодов во всех группах одинаково, поскольку если в одной из групп светодиодов окажется меньше, то на регуляторе этой группы выделяется значительная мощность, вызванная перепадом напряжения между остальными группами и данной группой. Выделяемая мощность приводит к выходу из строя данного канала и его регулятора.

Поэтому единственным возможным способом построения многоканального источника является создание независимых импульсных регуляторов выходного тока с питанием от общего источника постоянного напряжения (рисунок).

Рисунок. Структурная схема многоканального источника тока

Структурная схема многоканального источника тока для светодиодных источников света содержит повышающий преобразователь с функцией коррекции коэффициента мощности, преобразующий переменное входное напряжение в постоянное выходное напряжение на конденсаторе C, питающее все каналы схемы. Повышающий преобразователь с функцией корректора коэффициента мощности обеспечивает характер потребления электрического тока, совпадающий по форме с напряжением питающей сети. Особенностью реализации такой структуры становится использование высоковольтного накопителя, осуществляющего защиту от перенапряжения. Поскольку выпрямленное напряжение с действующим значением 380 В имеет амплитуду около 540 В, нужно, чтобы напряжение на выходном накопительном конденсаторе повышающего преобразователя превышало эту величину. Причем электролитические конденсаторы, имеющие рабочее напряжение порядка 450 В в качестве накопителя, напрямую применяться не могут. Необходимо использовать только последовательное соединение конденсаторов с увеличенным рабочим напряжением. Однако в качестве накопителя в такой структуре можно реализовать неэлектролитический конденсатор, поскольку энергия, накопленная в конденсаторе сравнительно малой емкости, будет достаточна для питания всей выходной части схемы. Кроме того, использование неэлектролитического конденсатора позволяет расширить диапазон изменения напряжения на нем (коэффициент пульсаций) по сравнению с электролитическим конденсатором.

Каждый канал представляет собой однотактный преобразователь с обратным включением диода. Механизм действия такого преобразователя заключается в том, что система управления замыкает регулирующий ключ S2, и в первичной обмотке индуктивного элемента накапливается электромагнитная энергия. При размыкании ключа электромагнитная энергия из сердечника индуктивного элемента через диод передается в нагрузку и шунтирующий конденсатор. Такой алгоритм работы преобразователя более надежно обеспечивает защиту преобразователя от короткого замыкания в нагрузке, поскольку цикл накопления электромагнитной энергии сердечника и отдача ее из магнитопровода в нагрузку разнесены во времени, и система управления имеет некоторый интервал времени на принятие управляющего решения. Данные преобразователи имеют упрощенное управление параметрами электрического выходного сигнала, так как для них регулируемы порции энергии, накапливаемой в сердечнике магнитопровода, и частота накопления этих порций. Преобразователи каналов могут работать независимо друг от друга, с независимыми частотами, потребляя энергию от накопительной емкости повышающего преобразователя.

Особенность структуры таких источников состоит в том, что в общем случае количество светодиодов в группах светильника может быть различным. Оно меняется как в процессе работы за счет выхода из строя отдельных некачественных светодиодов, так и при проектировании конструкции светильника. Другая особенность такой структуры — возможность параллельного (синхронного) управления выходными токами каналов от общего управляющего сигнала.

Существенным шагом вперед в вопросе проектирования многоканальных источников тока для светодиодных излучателей является применение микроконтроллера. Функции микроконтроллера:

• прием и обработка управляющего сигнала;
• анализ текущего состояния питающей сети и принятие решения о включении или выключении силового преобразователя;
• контроль тепловых режимов источника света;
• диагностика возникающих неисправностей;
• возможность обмена информацией с внешними устройствами;
• защитные функции, в частности защита от существенного превышения питающего напряжения.

Последняя функция крайне важна, ведь при эксплуатации источников возможны случаи подачи линейного напряжения питания (380 В) вместо фазного (220 В), и функция защиты источника от превышения напряжения питания позволит предотвратить его выход из строя и сэкономить значительные средства.